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结课论文开题报告题 目: 聚氨酯树脂及其应用 学 院： 化学工程学院 专业班级： 材料化学专业112班 学生姓名： 周荣潇 学 号： 2011121303 指导教师： 马娟娟 2014 年 04 月 14 日聚氨酯树脂及其应用摘要： 聚氨酯树脂作为一种具有高强度、抗撕裂、耐磨等特性的高分子材料,在日常生活、工农业生产、医学等领域广泛应用。本文简述了聚氨酯树脂的结构、性能及其相对应的实际应用。 关键词： 聚氨酯 结构 应用 液晶 阻燃剂 聚硅氧烷 德国化学家拜尔于1937年发现了异氰酸酯与活泼氢的反应(-NCO+HO-NHCO-),开始了聚氨酯(PU)树脂的研究和应用1。二战期间,德国已经建立起了具有一定生产能力的聚氨酯实验厂。战后,美英等国从德国引进了制造方法。日本于1955年从德国的拜尔公司和美国的杜邦公司引进技术开始了聚氨酯的生产与开发。自此聚氨酯树脂的研究与应用在世界范围内发展起来,相继发明了聚氨酯混炼胶、浇注胶、泡沫塑料等品种,聚氨酯树脂的应用日渐广泛,生产规模不断扩大。我国自60年代开始独立研制和发展聚氨酯树脂,到目前为止,工业化生产已初具规模,但生产工艺和技术与发达国家相比还有较大差距。进入90年代以来,聚氨酯树脂对人们的生产、生活更加重要。技术的发展、生产工艺的改进使新型聚氨酯不断出现,未来的聚氨酯材料将向应用和环保方向发展。 聚氨酯树脂又被称做聚氨酯弹性体(PUR),是一种性能介于塑料和橡胶之间的特种材料,具有高强度、耐磨耗、抗撕裂、挠曲性能好、耐油和良好的血液相容性等优点。因此在工业、农业、军事、航空、医学等领域有广泛的应用,需求量很大。1 结构聚氨酯的结构： 它是由多异氰酸酯与多元醇反应而成，其中氨基甲酸酯链段是重复的结构单元。聚氨酯的结构中具有类似酰胺基团及酯基团的结构，因此聚氨酯的化学与物理性质介于聚酰胺和聚酯之间。在实际制备的聚氨酯树脂中，除氨基甲酸酯基团外，还有脲、缩二脲等基团。二元醇是指聚酯或聚醚的低聚物，末端为羟基，称为软链段。二异氰酸酯是指脂肪族与芳香族异氰酸酯，称为硬链段。软硬链段反应生成聚氨酯树脂；而氨基甲酸酯链段在其中只占少数，所以，称其为聚氨酯未必恰当。从广义上讲，聚氨酯乃是异氰酸酯的加聚物。不同类型的异氰酸酯与多羟基化合物反应后，能生成各种结构的聚氨酯，从而获得不同性质的高分子材料，如塑料橡胶，涂料，纤维、粘合剂等合成材料。 2 主要反应方程式 (1)预聚反应OCN-R-NCO+HO-R1-OH+OCN-R-NCO OCN-R-NHCOO-R1-OOCNH-R-NCO (2)扩链反应 OCN-R-NCO+HN-R2-NH+OCN-R-NCO OCN-R-NHCO NH-R2-NH CO NH-R-NCO R替代R-NH CO O-R1-O CONH-R3 性能及其应用3.1 衣食与聚氨酯 以织物或编织物为基布,涂上粘合剂、胶料,经表面装饰制成聚氨酯革。聚氨酯革具有良好的弹性、柔软性、透气性、耐老化等性能,是PVC革的优良代用品。可以用做服装革,制作上衣、大衣、雨衣、裙子、手套等;也用做鞋面革制造人造革皮鞋。聚氨酯革经滚光、打磨后,做成人造麂皮,是很时髦的鞋面料和室内装饰材料。据报道,用聚氨酯与有机硅共混液,采用浸渍法,在橡胶表面形成滑爽的PU涂层,可制得无粉橡胶手套。聚氨酯弹性体具有耐磨、抗撕裂的特点可以制作鞋底,最早使用的是聚氨酯浇注胶(CPUR),比如:德国在二战期间曾用CPUR制造军靴。后来研制的微泡聚氨酯弹性体,具有质轻、弹性好的优点,用它制作的鞋 底穿着舒适、轻便且造价低。此外聚氨酯粘合剂粘合力强,耐水性好,是很好的鞋用粘合剂。 聚氨酯弹性纤维又叫氨纶,是一种具有高弹性、柔软性好的合成纤维,是制作紧身衣的好材料。氨纶可以与棉纤维混纺,用混纺后的布料制作的内衣、袜子、舞蹈服装、游泳衣、滑雪服等仍保持弹性、手感好等优点。氨纶的又一优点是染色性好,制品经染色后颜色鲜艳、耐久,适于制作花色鲜艳的衣服、鞋、帽、手套等。经特殊处理的聚氨酯树脂可以用做食品包装纸。3.2 住、行与聚氨酯3.2.1 建筑、装饰方面 聚氨酯树脂具有良好的耐老化性、硬度低、弹性好、耐水、防菌等优点,适于做堵漏材料,如用做房屋防漏、嵌缝材料,还可以用于高层建筑或铁路路基的加固,水电工程的水库、坝基防渗及裂缝堵漏。此外,PU灌封材料有优良的电绝缘性,对电气元件无腐蚀等优点,可以密封电气元件。在美国,合成密封胶以硅酮和聚氨酯为主。在室内,聚氨酯树脂可用做耐磨性涂料或地板革。用添加抗微生物剂的聚氨酯材料制作的地毯,具有耐微生物、防腐等性能,特别适用于南方湿热地区,在宾馆、饭店广泛使用。聚氨酯革经染色后是很好的室内装饰材料,为增加这种材料的使用安全性。 3.2.2 交通运输方面 作为一种既有强度又有弹性的特殊材料,聚氨酯弹性体(PUR)在汽车制造业用途广泛。可用做减震缓冲器、刹车膜片,制作方向盘、仪表盘、气囊等。用PUR制作的汽车保险杠,具有质轻、挠曲性能好等特点,受到冲击后不易发生永久性变形,其综合性能优于钢制保险杠。PUR的重要用途之一是制作轮胎,由于PUR轮胎有内生热大、散热慢的缺点,不适于长期高速行驶。但其耐磨耗、抗撕裂的优良性能适于制造速度慢(45km/h)、工作路况差的农用卡车、矿用车、起重机的轮胎。用聚氨酯混炼胶可以制作自行车充气轮胎,而美国佐尤斯公司用浇注发泡法制作的不用充气的泡沫轮胎,具有花纹深的特点,适于越野。北京威迪有限公司也于近期开发成功质轻、强度高的PUR免充气轮胎。 对于飞机而言当然是质量越轻越好,以前飞机薄壁油箱是用浸渍了丁腈橡胶或聚硫橡胶胶浆的织物。这种油箱壁厚且强度较小。用PUR制作飞机薄壁油箱不但质量轻而且工艺简单、使用寿命长。此外PUR还用做飞机起落架皮腕及飞机用涂料、机用座椅等。3.2.3 体育方面 自1968年在墨西哥举行的第19届奥运会采用聚氨酯铺面材料做田径跑道以来1,许多国家相继采用这种跑道,现已被国际公认为最佳比赛场地,这种跑道铺设简单、价格低廉、弹性好、耐磨、能防滑,可以提高运动员的竞技状态和成绩。用聚氨酯铺面材料铺设网球、乒乓球场地也有很好的效果,甚至有人主张用这种材料铺设足球场地。4 医用聚氨酯 早期人体医用材料主要是金属、陶瓷、石膏,这些材料坚硬有余而韧性不足,不适于做人体软组织的修复,其应用受到限制。自高分子材料发展以来,在某些方面逐渐代替上述医学材料,并得到医学界的好评。医用聚氨酯树脂具有良好的血液相容性和挠曲性能,经几十年的动物和临床医学实验,生物性能可靠,医疗效果好。以聚硅氧烷(PSi)改性PU制得复合高分子材料,兼有二者的优点,引起人们的普遍关注。澳大利亚ElastomedicPoy公司5研制的高用量硅氧烷改性聚氨酯,具有生物稳定性、柔韧性、耐撕裂等性能,是很好的医用材料。 医用聚氨酯具有很好的化学稳定性、组织相容性、不致癌、耐生物老化性等性能,符合医学要求。其主要应用是:(1)心血管方面:人工心脏、辅助人工心脏、辅助循环、人工血管、心脏瓣膜、心导管等。(2)软组织修复:颌面修复材料、人工软骨、食道气管修复、缝合韧带等。(3)其他:黏合剂、人工乳房、人造皮肤、止血海绵、隐形眼镜、人工角膜等。5 功能型聚氨酯 随着技术的进步和社会的发展,聚氨酯树脂不再限于传统领域的研究与开发,新型、功能特殊的聚氨酯材料不断出现,并成为未来研究的热点。5.1 阻燃型聚氨酯 用做PU革和涂料的聚氨酯材料,需要变易燃为阻燃,以提高其使用的安全性。目前国内工业上多采用添加型阻燃的方法,但存在耐老化性能差,阻燃剂分布不均等缺点。武汉工业大学通过合成含溴阻燃聚酯多元醇,以磷氮系阻燃剂(APP)为协同剂,用短切纤维作为增强剂;与多异氰酸酯等反应制得阻燃型聚氨酯泡沫,该材料具有优良的综合性能5.2 液晶聚氨酯 液晶高分子聚合物是指在一定条件下具有液晶性的高分子材料。80年代初Limura等首先合成了液晶聚氨酯并对其热性能作了报道。液晶的形成有:溶致、热致、压致3种类型,液晶聚氨酯属于热致性液晶。当聚氨酯受热达到熔融温度(Tm)以上时,聚氨酯高分子链段中的结构被破坏,同时非晶结构进入熔融状态,并且高分子链段呈现出某种有序排列,形成液晶态。当温度再升高至某一值(Ti)时,液晶态消失,熔体呈各向同性。 液晶聚氨酯因其结构特征而具有取相性、取向易固定性,可用其光效应制作光学材料,如:滤光片、反射器等。利用液晶聚氨酯的取向易固定性和较长的松弛时间,可以记录外界刺激做成记忆性聚氨酯材料。此外,通过与其他材料的共混可以提高液晶聚氨酯的力学性能,用来制造原位复合材料。6 其他聚氨酯材料6.1 耐微生物聚氨酯 抗菌PU是一种具备抑菌和杀菌性能的新材料,通常在PU数值中添加一种或几种特定的抗菌剂而制得。美国MortonInternational公司开发出一种抗微生物的热塑性聚氨酯弹性体。弹性体中添加了抗微生物试剂VingzenSB-IU,其主要成分是10,10氧化双吩恶吡(DBPA)。该试剂用量虽少,但对霉菌和细菌都有很强的杀灭能力,适于户外使用,可以制作鞋底、底下电缆护套和船舰装饰物等。6.2 可降解型聚氨酯 利用微生物的降解作用,可以消除废旧聚氨酯材料带来的环境问题。日本将木粉、蔗糖及废弃咖啡等天然原料混于聚合物中制备聚氨酯,既减少了多元醇的用量,降低了成本,又赋予制品生物分解特性。日本还开发成功新型生物降解聚氨酯材料蜜糖多元醇,为新型降解聚氨酯的开发创造了条件。 日本专利报道了-丁内酯、氢化二乙烯酮与1,4-丁二醇反应制得改性聚(3-羟基丁酸酯)二醇,将它与MDI在PhMe中反应,制得耐热性能好,有优良生物降解性能的聚氨酯树脂。7 聚氨酯的回收和利用 回收废旧聚氨酯一方面可以保护环境,另一方面可以节约材料和能源。回收的方法包括:材料回收:将废旧聚氨酯粗碎或细碎,然后粘合、加压、挤出成型重新做成板材,或用做填料,制作地板革、田径赛场等铺面材料。美国Mobius公司将软质聚氨酯泡沫塑料粉碎后,作为泡沫塑料生产中的填料。化学回收:用低分子二元醇、二元胺使废旧聚氨酯解聚成原料。经醇解得到的多元醇可作为原料使用。 能量回收:聚氨酯燃烧时热量为7000kcal/kg,介于聚乙烯PE与聚氯乙烯(PVC)之间。在产生有毒气体方面,每克聚氨酯燃烧产生氢化氰(HCN)的量低于尼龙纤维、羊毛等。由于还产生一氧化碳等有毒气体,因此燃烧必须充分并达到最佳状态,尽可能减少大气污染。参 考 文 献 1 杨清.简明心理学词典.长春:吉林人民出版社,1985:3002 杨清.简明心理学词典.长春:吉林人民出版社,1985:3273 杨清.简明心理学词典.长春:吉林人民出版社,1985:3514 腾守尧.审美心理描述.北京:中国社会科学出版社,1985:3803925 张庆林.当代认知心理学在教学中的应用.重庆:西南师大出版社,1995:4136 李远蓉.化学教学艺术论.重庆:西南师大出版社,1996:32387 周义橙.科学创造与直觉.北京:人民出版社,1986:1701738 李远蓉.化学教学艺术论.重庆:西南师大出版社,199